Бактерии расщепили мономер полиуретана
Ученые обнаружили бактерию рода Pseudomonas, которая может использовать олигомер полиуретана и его мономер толуолдиамин в качестве единственного источника углерода, азота и энергии. Авторы работы предложили метаболический путь расщепления этих веществ и нашли гены ферментов, которые могут катализировать описанные реакции. Статья опубликована в журнале Frontiers in Microbiology.
Полиуретан — один из самых распространенных видов пластика. Например, в Европе в 2015 году он был пятым по спросу синтетическим полимером, в основном его используют в изоляционных материалах. Эти соединения относят к гетероцепным полимерам, в их состав могут входить эфирные или полиэфирные группы, алифатические, полициклические и ароматические структуры, а также функциональные группы различной природы. Из-за такой неоднородности полиуретаны сложно разлагать как химическим, так и биологическим путем.
Известны способы разложения полиуретанов, которые основаны на простых эфирных связях, бактериями, грибами или выделенными ферментами. Биологическая деградация сложноэфирных полиуретанов изучена хуже и в основном на грибах. В числе продуктов гидролиза полиуретана есть диамины метилендианилин и толуолдиамин, которые Европейское агентство по химикатам признало как опасные (толуолдиамин является канцерогеном).
Мария Эспиноса (Maria Espinosa) из Центра экологических исследований имени Гельмгольца и ее коллеги нашли в местах скопления пластиковых отходов бактерии, которые растут на среде с толуолдиамином. Ученые выращивали эти бактерии на среде, в которой 2,4-толуолдиамин был единственным источником углерода и азота, а затем на средах с другими ароматическими веществами и олигомерами полиуретана. Также проверили токсичность толуолдиамина для других бактерий, которые находились в экспоненциальной фазе роста и развивались на среде с сукцинатом.
Чтобы определить таксономическую принадлежность найденных бактерий, авторы провели полногеномное секвенирование ДНК. Кроме того, они нашли участки ДНК, которые похожи на гены других бактерий, которые кодируют ферменты различных путей деградации ароматических веществ.
По результатам полногеномного секвенирования и анализа профиля жирных кислот бактерии отнесли к роду Pseudomonas, они были ближе всего к видам P. oryzihabitans и P. putida. Бактерии питались 2,4-толуолдиамином, даже если он был единственным источником углерода и азота в среде. Оптимальная концентрация этого вещества для роста бактерий — два миллимоля на литр. Также бактерии росли на субстрате с алифатическим олигомером полиуретана.
Добавление двухмиллимолярного раствора 2,4-толуолдиамина в среду контрольных бактерий, которые находились в экспоненциальной фазе роста и питались сукцинатом, снизило рост колонии на 55 процентов. Более высокие концентрации диамина были значительно более токсичными.
Ученые предложили возможный путь разложения толуолдиамина и гены, которые могут кодировать соответствующие ферменты. Сначала, по их мнению, происходит окисление метильной группы и аминогруппы в орто-положении, в результате образуется катехоламин. После этого, вероятно, эстрадиол-диоксигеназа расщепляет ароматическое кольцо в мета-положении, затем происходит дальнейшая деградация продукта.
Как именно производные толуолиамина встраиваются в метаболические циклы бактерий, необходимо исследовать в дальнейшем. Также следует выделить и исследовать ферменты, которые участвуют в расщеплении производных полиуретана. Возможно, удастся встроить гены этих белков в штаммы бактерий, которые используют биотехнологи, и наладить разложение токсичного мономера.
Ученые активно ищут пути биологического разложения разных типов пластика, и приходят к успеху порой довольно неожиданно. Фермент бактерии Ideonella sakaiensis гидролизует полиэтилентерефталат (ПЭТ), и в процессе его изучения исследователи случайно повысили производительность белка на 20 процентов, пытаясь выключить его.
Алиса Бахарева
Эффективнее всего себя показала композиция «We Will Rock You»
Швейцарские ученые внедрили механочувствительные рецепторы в клетки, способные высвобождать инсулин, и они стали реагировать на звуковые волны: ионные каналы впускали положительно заряженные ионы кальция, что заставляло содержащийся в них инсулин сливаться с мембраной и высвобождаться наружу. Эффективнее всего этот процесс происходил под песню «We Will Rock You» группы Queen: у мышей, которым вживили эти клетки, после прослушивания песни заметно снизился уровень глюкозы в крови. Эксперимент описан в журнале The Lancet Diabetes & Endocrinology. Слуховые косточки преобразуют акустические волны звука в механические колебания, которые активируют механочувствительные ионные каналы в волосковых клетках. Вход ионов в клетку приводит к деполяризации мембраны и созданию потенциала действия. Подобные механочувствительные ионные каналы распространены повсеместно у всех организмов, в том числе бактерий, что может быть использовано для генной терапии различных заболеваний: встраивание подобных рецепторов и их активация могли бы менять потенциал действия клетки и, как следствие, ее активность или даже функцию. Однако системная доставка низкомолекулярных триггерных соединений затруднена из-за их иммуногенных эффектов, а физические триггеры, такие как свет, ультразвук, магнитные поля, радиоволны, электричество и температура, не всегда удобны в практическом применении. Ученые из Швейцарской высшей технической школы Цюриха под руководством Мартина Фуссенеггера (Martin Fussenegger) создали стабильные трансгенные клональные линии клеток, способные высвобождать инсулин, которые конститутивно экспрессируют механочувствительные рецепторы Piezo1 млекопитающих или бактериальные механочувствительные рецепторы MscL. Уровень звука в 60 децибел при частоте 50 Герц, который находится в пределах безопасного диапазона для человеческого уха, эффективно активировал эти рецепторы, что приводило к индукции высвобождения инсулина. Визуализация MscL-положительных и MscL-отрицательных клеток показала значительно более высокие уровни внутриклеточного кальция в первой популяции клеток, что означает массовый вход кальция в клетку при активации механорецепторов. Затем ученые проверили влияние различных жанров музыкальных произведений на высвобождение инсулина. Выяснилось, что популярная музыка с низкими басами и саундтреки к фильмам вызывали максимальное выделение инсулина, в то время как реакция на классическую музыку и гитарную музыку была более разнообразной и зависела от композиции. Песня «We Will Rock You» группы Queen высвобождала почти 70 процентов инсулина в течение пяти минут. В эксперименте на мышах с диабетом и трансгенными клетками эта песня приводила к выработке достаточного количества инсулина, чтобы быстро снизить колебания гликемии во время тестов на толерантность к глюкозе. На втором месте по эффективности оказался саундтрек к фильму «Мстители». Клетки активировались только в том случае, если звуковые волны непосредственно воздействовали на кожу над местом имплантации не менее 15 минут Речь, наушники, низколетящие самолеты, газонокосилки, пожарные машины и гудки не приводили к нежелательной секреции инсулина при восприятии с разных расстояний и направлений. Таким образом, эти клетки защищены от незапланированного выброса инсулина. Ученые считают, что эту разработку можно рассматривать как потенциально реальную замену уколам инсулина для людей с диабетом. Ранее мы рассказывали, что введение инсулина в нос помогло людям с деменцией улучшить их когнитивную функцию.